异步电机群对间隙保护动作行为影响分析

张 江

(大同煤矿集团 挖金湾煤业有限责任公司，山西 大同 037003)

随着现代化矿山的电气设备越来越多，电力系统容量也日渐增加，系统中发生故障时的单相短路电流也在不断增加，其数值可能超过三相短路电流，对断路器的遮断容量产生影响，将会对矿井地面及井下移动变电站产生较大影响[1-3]. 近几年来，我国电网因短路故障烧毁的变压器数量较多，对电网造成了巨大的经济损失，而故障产生的过电压对主变长时间冲击，会对主变绝缘造成损伤。

1 失电残压

随着矿井产能越来越大，煤矿井下异步电机数量也在增多，形成了异步电机群。在线路发生故障时，线路保护动作，断路器跳开，正常运行的异步电机、异步机群突然失去外加电源电压，由电动机反送电的原理可知，机电能量的转换是一个可逆过程。假使电动机失去外部电源，而此时电动机的状态为输出机械能状态，由于惯性，电动机的转子在做旋转运动，电动机内部耦合电磁场的储能发生变化，电动机转子产生的磁场切割定子绕组而产生感应电动势。通常情况下电动机的转子电阻比较小，导致电动机的感应电动势衰减时间常数较大。在主变压器后备间隙保护动作跳闸前，异步电机可视为一稳定的电源，此电源电压称为失电残压[4-6].

2 异步电机群对间隙保护动作行为影响研究

2.1 异步电机群

在电力系统分析中，异步电机的建模很重要，通常被作为电力系统负荷进行研究。在电力系统的仿真分析模型中，每个异步电动机是不可能单独存在的，所以异步机群负荷模型通常是用总的异步电动机模型(一个单元的等效模型)来等效[7].

本文应用了一种等效电动机负荷的方法，相对简单且易接受。异步电动机在稳定状态下，等效电路具有相同的形式，由一个单一的感应电动机对总的感应电动机等效电路参数的确定过程：首先，确定总的异步电动机的机械参数，而总的感应电机的瞬时行为使用电压方程和机械方程来描述。基于这些瞬时方程，把总的感应电机线电压扰动的瞬态响应模拟与最初的异步电动机的瞬态响应进行比较，确认总感应异步电动机模型的有效性。

总的异步电动机等效电路参数的确定过程其前提通常是负荷侧为两个并联的异步电动机，如图1a)所示。异步电动机IMa和IMb被等效在一个等效异步电动机IMag. 图1a)为异步电机组的等效电路，图1b)为总异步电机等效电路模型。

图1 异步电机负荷模型图

其中，r1a，r1b，r1,ag为定子阻抗；l1a，l1b，l1,ag为定子漏感；r2a，r2b，r2,ag为转子阻抗折算到定子侧；l2a，l2b，l2,ag为转子漏感折算到定子侧；LMa，LMb，LM,ag为励磁电感；Sa，Sb，Sag为转差，下标a，b，ag分别指电机IMa，IMb，IMag.

图2b)中的等效电路参数值是由图2a)等效电路的总阻抗在空载和堵转两种情况下确定的。

图2 一相等效电路图

在空载运行条件下，IMa，IMb，IMag的值几乎为零，即Sa≈0，Sb≈0，Sag≈0，在此条件下，从输入端看的电路总阻抗：

(1)

式中：

ω—电源角频率；

L1,ag=l1,ag+LM,agL1b=l1b+LMb

图2b)中，该电路的总阻抗：

(2)

其中，L1=l1,ag+LM,ag

结合式(1)与式(2)，得到下面的表达式：

(3)

(4)

在堵转运行条件下，使转差都为l，即Sa=Sb=Sag=1，在这个条件下，异步电机的转子阻抗远小于励磁阻抗，因此图2a)路的总阻抗为：

(5)

其中，ra=r1a+r2a，rb=r1b+r2b，la=l1a+l2a，lb=l1b+l2b

而图2b)电路的总阻抗为：

(6)

其中，rag=r1,ag+r2,ag

lag=l1,ag+l2,ag

(7)

(8)

总的异步电机的转子电阻r2,ag由式(3)和式(7)可得：

r2,ag=rag-r1,ag

(9)

为了求得总的异步电机漏感，令l1a≈l2a，l1b≈l2b，因此可得到：

(10)

(11)

总的异步电机的励磁电感为：LM,ag=L1,ag-l2,ag稳态运行滑差S由输出功率决定，其中总的异步电机的输出功率等于异步电机之和。

PO,ag=Poa+Pob

(12)

(13)

其中，Poa和Pob分别是异步电机LMa和LMb的输出功率。

(14)

当两个异步电机稳定运行时，可以知道其输出功率的大小。将式(14)带入式(13)，可以得二次方程:

αSag+βSag+γ=0

(15)

此时，

(16)

式中，α和γ为正值，β通常情况下为负值。其中较小的根是稳态运行滑差的值。Hag为等效的总的异步电机惯性常数，Pn,ag为等效的总的异步电机额定输出功率，异步电机的动能等于每个异步电动机在同步转速下的动能总和。

HagPn,ag=HaPna+HbPnb

(17)

Pn,ag=Pna+Pnb

(18)

式中：

Ha，Hb—分别为异步电机IMa和IMb的惯性常数；

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Pna，Pnb—分别为额定输出功率，W.

(19)

仿真异步电动机的瞬时行为，需要建立电压方程描述的定子和转子回路。对三相异步电动机的电压方程，是由3个转子方程和3定子方程构成。将这些电压方程变换为两相的变量，γ，δ两变量被定义为同步旋转坐标轴。

定子电流和转子电流方程分别为：

[i1u,i1v,i1w]t=[C1][i1γ,i1δ,i1o]t

(20)

[i2u,i2v,i2w]t=[C2][i2γ,i2δ,i2o]t

(21)

其中，i1u(i2u)，i1v(i2v)，i1w(i2w)是定子(转子)u相，v相和w相的电流；i1r(i2r)，i1δ(i2δ)，i1o(i2o)是定子(转子)γ轴，δ轴和o轴的电流。

[C1]，[C2]为变换矩阵，公式如下：

(22)

[C2]=

(23)

电压转换方程为：

ν1γ=Pψ1γ-ψ1δPθ+r1i1r

(24)

ν1δ=Pψ1δ+ψ1γPθ+r1i1δ

(25)

ν2γ=Pψ2γ-ψ2δPθ+r2i2r

(26)

ν2δ=Pψ2δ+ψ2γPθ+r2i2δ

(27)

ψ1γ=(LM+l1)i1γ+LMi2γ

(28)

ψ1δ=(LM+l1)i1δ+LMi2δ

(29)

ψ2γ=LMi1γ+(LM+l2)i2γ

(30)

ψ2δ=LMi1δ+(LM+l2)i2δ

(31)

式中：

LM—励磁电感，mH；

l1和l1—定子漏感和转子漏感，H.

这些方程应用到每个异步电机模型和等效的异步电机模型中。

2.2 异步电机群对间隙保护的影响研究

在搭建用于110 kV变电站分析的PSCAD电磁仿真模型时，其模型参数的设置主要根据实际电力系统的参数进行设定。

在搭建的仿真模型中，本文中将选用PSCAD仿真元件库中的电源、变压器、输电线路及故障设置等元件来实现。电源模型选用“Three-Phase Voltage Source Model 2”元件，变压器模型选用“3-Phase 2-grinding Transformer"元件；线路模型选用“Overhead Line”型线路；故障设置模块选用“Three Phase Fault”元件；故障设置元件选用“Timed Fault Logic”元件，其主要功能是设定故障开始时间及持续时间；测量表计选用“Multimeter”元件，其功能是实现表计安装处电压、电流的测量。

对于变电站，利用PSCAD中各元件模型搭建其电磁暂态仿真模型，其中各输电线路参数见表1.

表1 输电线路参数表

异步电机负荷模型见图3.

图3 ABB异步电机模型图

该负载450 kW(603马力)鼠笼式感应电动机，功率因数为0.89，额定电压为10 kV.电机是通过使用鼠笼感应电机来仿照，见图3. 有3种类型的格式是可用的模块，即典型数据，明确数据和EMTP 40型格式。每一个形式的描述见表2.

表2 PSCAD中异步电机模型的格式类型表

本文中，由于大多数机器的制造商提供的数据为EMTP 40型格式，所以该模型选用EMTP 40.

根据DL/T584-2007《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》中6.2.9.9条规定“中性点经放电间隙接地的110 kV变压器的零序电压保护，其3U0定值一般整定为150～180 V(额定值为300 V)，在该110 kV变电站系统中间隙过压定值为160 V.

当线路空载，发生A相接地故障时，零序电压3U0最大值为128.689 V小于间隙过电压定值160 V，间隙保护不启动。

线路空载单相接地零序电压见图4，负荷侧为大型异步电机单相接地零电压见图5.负荷侧为异步机群组单相接地零序电压图见图6.中性点接地运行单相接地故障零序电压图见图7.

图4 线路空载单相接地零序电压图

图5 负荷侧为大型异步电机单相接地零序电压图

线路末端负荷侧为大型异步电动机、异步机群组，偏移时间为保护启动时刻至保护动作时刻的时间间隔，其中偏移时间整定值为500 ms，与主变高后备保护动作事件记录中Ⅰ段间隙保护动作延时时间相同。在此时间内零序电压一直大于Ⅰ段间隙过压定值160 V，导致Ⅰ段间隙保护动作，跳开主变高压侧开关和低压侧开关。

图6 负荷侧为异步机群组单相接地零序电压图

图7 中性点接地运行单相接地故障零序电压图

由图5和6分析可得，线路末端负荷侧为大型异步电动机零序电压3U0，最大值为259.589 V，经过500 ms间隔的整定值，零序电压3U0为176.823 V，仍大于间隙过压定值160 V. 线路末端负荷侧为异步机群组时，零序电压3U0最大值为233.718 V，经过500 ms间隔，零序电压3U0为189.190 V，也大于间隙过压定值160 V，间隙保护动作。由于电动机突然停电后，会产生反电动势，导致主变低压侧仍存在电压，反应在主变高后备保护中即为间隙电压。

实际该110 kV变电站中，发生A相接地故障，取主变高后备保护装置启动的录波截图，零序电压一直大于Ⅰ段间隙过压定值160 V，实线标线处为间隙保护启动时刻，图5,6记录了保护启动变位信息(保护启动0～1).

3 主变高间隙保护的防误动研究

过电压对主变长时间的冲击，会对主变的绝缘造成损伤，因此研究过电压的产生和消除具有十分重要的意义。

在特定的条件下，电力系统将会出现工作电压异常升高的现象。而此现象称为过电压，属于电力系统中的电磁扰动。电气设备的绝缘不仅长期耐受工作电压，而且还要能够耐受过电压的影响，电力系统运行的安全可靠才能得到保证。过电压通常情况下分为两大类：外过电压和内过电压。

外过电压亦可称为大气过电压，其产生的原因是大气中的雷云对地面放电。外过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。雷闪直接击中电气设备导电部分时所出现的过电压被称为直击雷过电压。直击雷过电压的幅值一般为上百万伏，电工设施绝缘被破坏，产生短路接地故障。感应雷过电压的生成是由于雷闪击中电工设备附近地面，与此同时，空间电磁场产生急剧的变化，导致一些未直接遭受雷击的设备感应出过电压。

电力系统运行时，内部运行方式发生变化而产生的过电压称为内过电压。通常可分为暂态过电压、操作过电压和谐振过电压3种。发生短路故障或者操作断路器情况时，电力系统经历过渡过程重新达到某种暂时稳定的状态所出现的过电压称为暂态过电压。操作断路器或者突然发生短路故障时，产生的过电压称为操作过电压，其特点是衰减较快持续时间较短。电力系统中存在电感、电容等储能元件，在某些接线方式下储能元件与电源频率发生谐振所产生的过电压被称为谐振过电压。

在我国60 kV及以下等级变压器选用全绝缘的方式(即中性点处与相线端绝缘水平相等)，而110 kV及以上等级变压器选用分级绝缘的方式(即中性点处低于相线端绝缘水平)。

参考GB 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》，根据矿井工况条件选取雷电和综合耐受工频裕度系数为0.85. 110 kV和220 kV等级变压器中性点绝缘及耐压水平见表3.

表3 110 kV和220 kV变压器中性点的耐压水平表

由表3可知，该110 kV变电站发生单相接地故障，断路器动作，此时产生暂态过电压。为防止过电压对主变的长时间冲击，故提出以下方案：

方案一：将该110 kV变电站的主变压器进行中性点接地运行，线路末端负荷侧为异步机群组，此时发生单相接地故障，断路器动作，零序电压见图6.

由图6可得，零序电压3U0最大值为54.142 V远小于间隙过电压定值160 V，间隙保护不启动。即一次侧零序电压为9.556 kV，通过表3可知，处于变压器中性点的耐压范围。

方案二：将该110 kV变电站装设联切保护装置。确定该站具有电动机负荷的10 kV线路，在110 kV开关保护动作的同时遥切该线路。

装设联切保护装置单相接地故障零序电压图见图8.

图8 装设联切保护装置单相接地故障零序电压图

由图8可得，零序电压3U0的最大瞬时值为127.244 V小于间隙过电压定值160 V，即一次侧零序电压为139.96 kV，间隙保护不动作，但在50 ms内降到变压器中性点短时工频耐压72.3 kV.

方案三：将该110 kV变电站的主变压器采用中性点经小电抗接地的运行方式，当变压器中性点经小电抗接地时，处于运行过程中的变压器进行投、切操作，通常情况下可使零序阻抗保持不变或少变，电力系统网络会成为接地系统，则变压器中性点的过电压能够得到有效抑制，同时也能够降低变压器中性点的绝缘等级，提高了经济效益，过电压保护装置和运行操作程序也能够由繁琐变为简单。

以上是变压器中性点经小电抗接地的优点，但在实际运行的110 kV系统中，将主变压器接入小电抗后，绝缘配合如何实现，以及如何影响已有继电保护的整定值等有待做迸一步的研究。

4 结 论

介绍了异步电机由于失去外加电源后产生失电残压，研究了线路末端空载、负荷侧为大型异步电机和负荷侧为异步机群等3种情况，应用了一种等效异步电机负荷的方法，对间隙保护动作行为研究影响，进行了主变高间隙保护的防误动研究，并提出3种改进方案。

但本文只是通过仿真结果分析了110 kV主变高后备间隙保护的动作，并提出3种改进方案。论文中仍然存在一些问题需要解决，如将该110 kV变电站的主变压器进行中性点经小电抗接地运行，只是进行了理论的分析，怎样进行绝缘配合有待进一步的研究。